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행성계

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목차

1. 개요

행성계는 항성 주위를 공전하는 천체들의 집합으로, 태양계와 같은 구조를 가질 수도 있고, 전혀 다른 구성을 보일 수도 있다. 고대부터 지동설과 천동설의 논쟁을 거쳐 외계 행성계 발견으로 이어졌으며, 1992년 펄서 PSR B1257+12에서 최초의 외계 행성이 확인되었다. 행성계는 항성이 탄생하는 과정에서 원시 행성계 원반으로부터 생성되며, 펄서와 같은 특수한 환경에서도 형성될 수 있다. 행성계는 암석 행성으로 이루어진 내부 영역과 거대 행성으로 이루어진 외부 영역으로 구성될 수 있으며, 구조는 초기 형성 조건에 따라 다양하게 나타난다. 현재까지 태양계 외에 다양한 외계 행성계가 발견되었으며, 외계 행성 탐사 기술의 발전으로 지구형 행성 발견 가능성이 높아지고 있다. 생명체 거주 가능 영역은 행성에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도 범위를 허용하는 영역이며, 다양한 연구를 통해 외계 생명체 탐사에 대한 기대가 높아지고 있다.

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행성계

2. 역사

행성계에 대한 인식은 인류 문명의 발전과 함께 진화해왔으며, 이는 천문학 및 우주 탐사의 역사와 밀접하게 연관되어 있다. 오랫동안 지구를 우주의 중심으로 여기는 천동설이 널리 받아들여졌으나, 니콜라우스 코페르니쿠스가 1543년 지동설을 주장하면서 변화가 시작되었다. 갈릴레오 갈릴레이, 요하네스 케플러, 아이작 뉴턴과 같은 과학자들이 지동설을 뒷받침하는 증거들을 발견하면서 지동설은 점차 널리 알려지게 되었다.[5]

조르다노 브루노는 코페르니쿠스의 지동설을 지지하며 다른 항성계에도 행성이 존재할 수 있다는 견해를 제시했지만, 종교적인 이유로 화형에 처해졌다.[6] 18세기 뉴턴은 자연 철학의 수학적 원리에서 다른 항성계에도 행성계와 유사한 모형이 존재할 수 있다는 이론을 제시했다.[7]

1992년 펄서 PSR B1257+12를 공전하는 행성들이 발견되면서 외계 행성의 존재가 처음으로 확인되었다.[1] 1995년에는 주계열성을 공전하는 외계 행성 51 페가시 b가 발견되었다.[1] 이후 외계 행성 탐지 방법의 발전과 케플러 계획과 같은 탐사 프로그램을 통해 외계 행성 발견 빈도가 증가했다.[1]

2. 1. 천동설과 지동설

지동설은 지구가 우주의 중심이라는 천동설과 반대로, 태양이 우주의 중심에 있다는 학설이다.

오랫동안 천문학에서는 지구가 우주의 중심이라는 천동설이 널리 받아들여졌다. 그러나 1543년 니콜라우스 코페르니쿠스는 천구의 회전에 관하여(De revolutionibus orbium coelestium)라는 저서에서 지구가 아닌 태양이 중심이라는 지동설을 발표했다. 처음에는 이 주장이 쉽게 받아들여지지 않았지만, 이후 갈릴레오 갈릴레이, 요하네스 케플러, 아이작 뉴턴과 같은 과학자들이 지동설을 뒷받침하는 증거들을 발견하면서 지동설은 점차 널리 알려지게 되었다.[5]

16세기 이탈리아 철학자 조르다노 브루노는 코페르니쿠스의 지동설을 지지하며, 더 나아가 다른 항성들도 태양과 마찬가지로 빛나며 그 주위에 지구와 같은 행성이 존재할 수 있다는 견해를 제시했다. 그러나 이러한 주장은 당시 기독교 교리에 어긋난다는 이유로 비판받았고, 브루노는 결국 화형에 처해졌다.[6]

18세기 뉴턴의 저서 자연 철학의 수학적 원리에는 행성계와 유사한 모형이 다른 항성계에도 존재할 수 있다는 이론이 기록되어 있다.[7]

이러한 이론들은 증거가 부족하고 난해함에도 불구하고, 과학 소설(SF) 작품의 소재나 외계 지적 생명체 탐사(SETI)의 전제가 되고 있다.

2. 2. 외계 행성계의 발견

1992년, 펄서 PSR B1257+12를 공전하는 여러 개의 지구 질량 행성이 발견되면서 외계 행성의 첫 번째 탐지가 확인되었다.[1] 주계열성의 외계 행성에 대한 첫 번째 탐지는 1995년에 이루어졌는데, 거대 행성 51 페가시 b가 근처의 G형 주계열성 51 페가시를 4일 만에 공전하는 것이 발견되었다.[1] 이후, 특히 외계 행성 탐지 방법의 발전과 케플러 계획과 같은 전용 행성 탐사 프로그램을 통해 탐지 빈도가 증가했다.[1]

2014년 7월 기준으로 거리가 알려진 행성의 90%가 지구로부터 약 2000 광년 이내에 위치해 있다.


은하수는 지름이 10만 광년이지만, 2014년 7월 기준으로 거리가 알려진 행성의 90%는 지구로부터 약 2000 광년 이내에 위치해 있다.[2] 행성을 훨씬 멀리서 감지할 수 있는 한 가지 방법은 미세 중력 렌즈이다.[2] 곧 출시될 낸시 그레이스 로만 우주 망원경은 미세 중력 렌즈를 사용하여 은하 팽대부와 은하 원반에서 행성의 상대적 빈도를 측정할 수 있다.[2] 현재까지의 징후는 행성이 팽대부보다 원반에서 더 흔하다는 것이다.[2] 미세 중력 렌즈 현상의 거리를 추정하는 것은 어려운데, 팽대부에 있을 가능성이 높은 것으로 여겨지는 첫 번째 행성은 7.7킬로파섹(약 25,000광년) 떨어진 MOA-2011-BLG-293Lb이다.[2]

PSR B1257+12라는 펄서를 공전하는 행성의 존재는 1992년에 처음으로 보고되었다.[6] 일반적인 항성, 이른바 주계열성을 공전하는 행성은 1995년에 발견되었는데, 벨레로폰이라는 애칭으로 불리는 이 행성은 주성 페가수스자리 51을 불과 4일 만에 공전하는 목성 크기의 행성이었다.[6] 이 행성의 발견에는 도플러 분광법이 사용되었으며, 이후에도 다양한 방법을 사용하여 수많은 외계 행성이 발견되었다.[6]

3. 생성 및 진화

행성계는 보통 항성이 태어나는 과정에서 함께 탄생하는 것으로 알려져 있다. 종전의 이론에서는 태양에 매우 가까이 접근한 다른 항성에서 떨어져 나온 물질이 뭉쳐서 행성 등을 형성했다고 주장한 적도 있었다. 그러나 그런 사건이 발생할 확률은 지나치게 작아서 신빙성 있는 이론으로 정립되기에는 결함이 있었다.[93]

원시 행성계 원반의 역학을 묘사한 그림


행성 표면에서 본 원시 행성계 원반의 상상도


일부 행성계는 펄사(전자기파를 주기적으로 방출하는 중성자별)의 전자기파 주기에 미묘한 변화가 생기는 것을 통해, 펄사가 행성을 거느리고 있음이 입증되는 등, 특이한 방식으로 생성되기도 한다. 펄사는 격렬한 초신성 폭발이 발생한 뒤 남은 천체인데, 이러한 초신성 폭발이 일어날 경우 원래 항성을 돌고 있던 행성들은 증발해 버리거나, 어머니 항성의 급격한 질량 손실로 인해 궤도가 망가져 항성의 중력권에서 탈출하여 우주의 미아가 된다. 따라서 현재 펄사 주위에서 발견되는 행성들은 펄사가 평범한 별이었을 시절부터 거느렸던 천체가 아니었을 것이다.[94]

3. 1. 원시 행성계 원반

항성이 태어나는 과정에서 분자 구름이 중력 붕괴를 일으켜 만들어진 원시 행성계 원반 내 물질들이 서로 충돌하거나 중력에 의해 뭉쳐서 행성 등으로 성장한다.[93]

천체 예술가가 원시 행성계 원반을 상상하여 그린 것.


행성계는 항성이 별의 형성 과정의 일부로 형성될 때 별 주위에 형성되는 원시 행성계 원반에서 비롯된다. 계의 형성 동안 많은 물질이 중력에 의해 멀리 떨어진 궤도로 흩어지고, 일부 행성은 시스템에서 완전히 튕겨져 나가 떠돌이 행성이 된다.

3. 2. 행성계의 진화

행성계는 항성이 탄생하는 과정에서 함께 만들어지는 것이 일반적이다. 과거에는 태양에 매우 가까이 접근했던 다른 항성에서 떨어져 나온 물질이 뭉쳐져 행성이 되었다는 이론도 있었지만, 이러한 현상이 발생할 확률은 매우 낮아 신빙성이 떨어진다. 오늘날 널리 받아들여지는 이론에 따르면, 분자 구름이 중력 붕괴를 일으켜 생성된 원시 행성계 원반 내 물질들이 서로 충돌하거나 중력에 의해 뭉쳐져 행성으로 성장한다.[93]

그러나 일부 행성계는 특이한 방식으로 생성되기도 한다. 펄사(주기적으로 전자기파를 방출하는 중성자별)가 방출하는 전자기파 주기의 미묘한 변화를 통해 펄사가 행성을 거느리고 있다는 사실이 밝혀졌다. 펄사는 격렬한 초신성 폭발 이후 남은 천체인데, 이러한 초신성 폭발이 일어나면 원래 항성을 돌던 행성들은 증발하거나 궤도가 망가져 우주 공간으로 튕겨 나간다. 따라서 현재 펄사 주위에서 발견되는 행성들은 펄사가 평범한 별이었을 때부터 존재했던 천체가 아닐 가능성이 높다. 이러한 펄사 행성들은 원래 행성의 질량 중 상당 부분이 증발하고 남은 것이거나, 펄사 주위에 새로 생성된 강착 원반이 진화하여 형성되었을 수 있다.[94]



별이 적색 거성, 점근 거성 가지 별, 행성상 성운으로 진화하면서 내부 행성들을 흡수하는데, 행성의 질량에 따라 행성이 완전히 증발하거나 부분적으로 증발한다.[11][12] 별이 질량을 잃으면서 흡수되지 않은 행성들은 별에서 더 멀리 떨어진 궤도로 이동한다.

진화한 별이 이중성 또는 다중성계에 속해 있다면, 잃어버린 질량이 다른 별로 이동하여 새로운 원시 행성 원반과 두 번째, 세 번째 세대의 행성을 형성할 수 있다. 이들은 원래 행성과는 다른 조성을 가질 수 있으며, 질량 이동의 영향을 받을 수도 있다.

열린 성단 내의 떠돌이 행성은 별과 비슷한 속도를 가지고 있어 다시 포획될 수 있다. 일반적으로 100AU에서 105AU 사이의 넓은 궤도로 포획된다. 포획 효율은 성단의 크기가 커질수록 감소하며, 주어진 성단 크기에 대해 주인/주성 질량이 증가함에 따라 증가한다. 이는 행성의 질량과는 거의 무관하다. 단일 행성 및 다중 행성은 서로 정렬되지 않거나, 항성 주인의 자전면과 일치하지 않거나, 기존의 행성계와 일치하지 않는 임의의 궤도로 포획될 수 있다. 일부 행성-주인 금속성 상관관계는 동일한 성단에서 별들이 공통적으로 기원했기 때문에 여전히 존재할 수 있다. 중성자별은 펄서 킥에 의해 성단에서 방출될 가능성이 높기 때문에, 중성자별 주위에서는 행성이 포획될 가능성이 낮다. 행성은 심지어 다른 행성 주위에 포획되어 떠돌이 행성 이중성을 형성할 수도 있다. 성단이 흩어진 후, 106AU보다 큰 궤도를 가진 일부 포획된 행성은 은하 조석에 의해 천천히 붕괴되고, 다른 항성 또는 거대한 분자 구름과의 만남을 통해 다시 떠돌이 행성이 될 가능성이 높다.[44]

초신성 폭발로 인해 잔해로 남는 펄서에서도 행성이 발견된다. 그러나 초신성 폭발 이전부터 존재했던 행성은 폭발 시의 고온으로 증발하거나 충격파로 분쇄될 가능성이 높다. 또한, 방출되는 가스에 밀려 궤도가 바깥쪽으로 이동하거나, 주성의 질량 대부분이 없어졌기 때문에 행성계를 이탈하여 자유 부유 행성이 될 가능성도 있다. 현재 펄서 주위를 공전하고 있는 행성은, 원래 있던 행성이 증발·분쇄된 후에 남은 잔해로 형성되었거나, 펄서의 강한 중력으로 인해 다시 초신성 잔해를 끌어당겨 형성된 원반에서 만들어졌을 수 있다.[72] 또한, 더 무거운 항성이 남기는 블랙홀에서도 주위에 가스 원반이 있다면 행성을 형성할 수 있다.[73]

주성이 적색 거성이 되면, 점근 거성 가지라는 과정에 들어가 행성상 성운을 형성하기 시작한다. 그러면 주성의 질량이 작아지고, 대질량성일 때와 마찬가지로 행성의 궤도는 주성에서 멀어지게 된다.

3. 3. 펄서 행성계

펄사(전자기파를 주기적으로 방출하는 중성자별)의 전자기파 주기 변화를 통해, 펄사가 행성을 거느리고 있음이 입증되었다. 펄사는 격렬한 초신성 폭발 후 남은 천체인데, 초신성 폭발 시 원래 항성을 돌던 행성들은 증발하거나, 어머니 항성의 급격한 질량 손실로 궤도가 망가져 항성의 중력권에서 탈출한다.[94]

따라서 현재 펄사 주위에서 발견되는 행성들은 펄사가 평범한 별이었을 시절부터 거느렸던 천체가 아니다. 이들 펄사 행성들은 원래 있던 행성의 질량 중 상당량이 증발하고 남은 것이거나, 펄사 주위에 새로 생겨난 강착 원반이 진화하여 행성들로 뭉쳐 자라났을 수 있다.[94] 초신성 폭발에서 궤도를 벗어나지 못한 잔류 물질의 원반은 블랙홀 주변에도 행성을 형성할 수 있다.[9]

초대질량 별이 초신성 폭발을 일으키면 잔해로 펄서가 남는데, 이 펄서에서도 행성이 발견된다. 그러나 초신성 폭발 전부터 존재했던 행성은 폭발 시 고온으로 증발하거나 충격파로 분쇄될 가능성이 높다. 또한, 방출되는 가스에 밀려 궤도가 바깥쪽으로 이동하거나, 주성의 질량 대부분이 없어졌기 때문에 행성계를 이탈하여 자유 부유 행성이 될 가능성도 있다. 현재 펄서 주위를 공전하는 행성은, 원래 있던 행성이 증발·분쇄된 후 남은 잔해로 형성되었거나, 펄서가 강한 중력으로 초신성 잔해를 끌어당겨 원반을 형성하고 거기에서 형성되었을 수 있다.[72]

4. 구조 및 구성 요소

태양계는 작은 암석 행성으로 이루어진 내부 영역과 큰 거대 행성으로 이루어진 외부 영역으로 구성되어 있다. 그러나 다른 행성계는 매우 다른 구조를 가질 수 있는데, 연구에 따르면 행성계의 구조는 초기 형성 조건에 따라 달라진다.[13] 현재는 지구형 행성이 모항성에 가까이 있는 태양계와 유사한 시스템은 거의 발견되지 않았으며, 더 일반적으로는 여러 개의 슈퍼 지구로 구성된 시스템이 발견된다.[15]

별에 매우 가까이 있는 뜨거운 목성 가스 행성이 있는 많은 시스템이 발견되었으며, 행성 이동 또는 산란과 같은 이론이 모항성에 가까운 거대 행성의 형성을 설명하기 위해 제안되었다.[14]

4. 1. 행성과 항성

우리 태양 외에도 수많은 항성이 행성을 거느리고 있음이 밝혀졌다. 어떤 항성이 행성을 거느릴 확률은 아직 정확히 규명되지 않았으나, 태양 비슷한 별 중 약 3~4.5%가 거대 행성을 거느리고 있으며, 슈퍼지구나 지구급 행성의 경우 더 흔한 것으로 추측된다.[95][96][97]

대부분 알려진 외계 행성은 대략 태양과 비슷한 별, 즉 주계열성으로, 분광형 F, G 또는 K에 속하는 별을 공전한다. 그 이유는 행성 탐색 프로그램이 그러한 별에 집중하는 경향이 있기 때문이다. 또한, 통계적 분석에 따르면 질량이 작은 별, 즉 적색 왜성(분광형 M)은 시선 속도법으로 감지할 수 있을 만큼 질량이 큰 행성을 가질 가능성이 낮다.[19][20] 그럼에도 불구하고, 더 작은 행성을 감지할 수 있는 트랜싯 방법에 의해 케플러 우주 망원경으로 적색 왜성 주위에서 수십 개의 행성이 발견되었다.

thumb으로 촬영된, HR 8799를 공전하고 있는 3개의 행성 이미지. 항성은 코로나그래프로 가려져 있다.]]

일부 연구에서는 별 하나당 평균 1개 이상의 행성이 존재한다는 것이 시사되고 있다.[78] 이는 태양계처럼 대부분의 별이 행성을 가지고 있음을 의미한다. 그러나 모든 행성이 발견된 것은 아니므로 실제 별이 행성을 가질 비율은 불분명하다. 공전 주기가 짧은 외계 행성의 발견 방법으로 도플러 분광법과 트랜싯법이 있으며, 현재 발견된 외계 행성의 대부분은 이 두 가지 방법으로 발견되었다. 따라서 가장 많이 확인된 것은 핫 주피터이다. 2005년에 실시된 조사에 따르면, 태양과 같은 별은 1.2%의 비율로 핫 주피터를 가지고 있으며, 반대로 그보다 작은 K형 주계열성이나 적색 왜성의 대부분은 핫 주피터와 같은 단주기로 공전하는 행성을 가지고 있지 않다고 한다.[79]

지구와 같은 작은 행성은 대형 행성보다 일반적이라는 것이 알려져 있다.[82] 또한, 주성에서 먼 궤도를 공전하는 행성은 주성에 가까운 궤도를 공전하는 행성보다 많이 존재한다고 생각된다. 이를 바탕으로 태양과 같은 별의 최소 20%는 대형 행성을 1개 가지고 있으며, 최소 40%는 질량이 작은 행성을 가지고 있을 가능성이 있다.[81][83][84] 2012년 연구에서, 2002년부터 2007년까지 수집된 Gravitational microlensing|중력 마이크로렌즈영어 관측 데이터에 따르면, 행성이 별보다 존재 비율이 훨씬 높고, 은하계의 별 1개당 별에서 0.5~10au 떨어진 위치에 평균 1.6개의 행성을 가지고 있는 것으로 추정되었다.[78]

행성과 별의 비율이 어떻든, 외계 행성의 수는 매우 많아야 한다. 은하계에는 최소 2천억 개의 별이 있는데, 이를 고려하면 은하계에는 수백억 개에서 수천억 개의 행성이 존재하게 된다.

300px.]]

행성계의 주성으로 가장 많은 것은 태양과 비슷한 별인 경우이다. 즉, 스펙트럼 분류에서 F, G, K가 해당한다. 그 이유 중 하나는 탐사 대상으로 자주 선택되는 경향이 있기 때문이다. 또한 통계적 분석에 따르면, 더 작은 적색 왜성 등에서는 도플러 분광법으로 검출될 정도의 큰 행성이 존재할 가능성은 낮다고 한다.[81][85] 그럼에도 불구하고 케플러 우주 망원경에 의한 트랜싯법으로 발견된 수십 개의 행성은 적색 왜성의 별에서 발견되었다.

스펙트럼형이 B, A는 전형적으로 자전 속도가 빠르기 때문에 스펙트럼 흡수선이 넓어 도플러 분광법에 의한 행성 검출이 매우 어렵다. 그러나 이러한 별은 최종적으로 저온의 적색 거성이 되며, 이때 도플러 분광법으로 검출은 가능하다. 실제로 적색 거성 주위를 공전하는 행성이 몇 개 발견되었다.

4. 2. 위성, 소행성, 혜성

HST의 기록 이미지에서 개선된 영상 처리 과정을 통해 어린 별들인 ''HD 141943''과 ''HD 191089''의 파편 원반이 감지되었다(2014년 4월 24일).


태양계 내 대량의 위성 관측에 따르면, 위성은 행성계의 흔한 구성 요소로 여겨진다. 그러나 외계 위성의 존재는 아직 확인되지 않았다. 센타우루스자리의 별 1SWASP J140747.93-394542.6은 자연 위성의 강력한 후보이며,[34] 확인된 외계 행성 WASP-12b도 최소 하나의 위성을 가지고 있다는 징후가 있다.[35]

2013년 스피처 우주 망원경으로 관측하고 지상 관측으로 확인된 별 NGC 2547-ID8 주변의 충돌은 컴퓨터 모델링 결과, 원시 행성과 같은 대형 소행성의 충돌로 추정되며, 이는 지구와 같은 지구형 행성 형성을 이끈 사건과 유사한 것으로 여겨진다.[33]

2014년 11월 기준으로 5,253개의 태양계 혜성이 알려져 있으며, 혜성은 행성계의 흔한 구성 요소로 여겨진다. 최초의 외혜성은 1987년[26][27] 매우 젊은 A형 주계열성인 베타 픽토리스 주변에서 발견되었다. 현재 외혜성의 존재가 관찰되거나 의심되는 별은 총 11개이다.[28][29][30][31] 발견된 모든 외혜성계(베타 픽토리스, HR 10,[28] 51 오피우치, HR 2174,[29] 49 세티, 5 불페쿨라에, 2 안드로메다, HD 21620, HD 42111, HD 110411,[30][32] 및 최근 HD 172555[31])는 매우 젊은 A형 별 주변에 있다.

4. 3. 외계 행성 주인별

우리 태양 외에도 수많은 항성이 행성을 거느리고 있음이 밝혀졌다. 어떤 항성이 행성을 거느릴 확률은 아직 정확히 규명되지 않았으나, 태양과 비슷한 별 중 약 3~4.5%가 거대 행성을 거느리고 있으며[95] 슈퍼지구나 지구급 행성의 경우 더 흔한 것으로 추측된다.[95][96][97]

대부분의 알려진 외계 행성은 대략 태양과 비슷한 별( 주계열성으로 분광형 F, G 또는 K)을 공전한다. 행성 탐색 프로그램이 그러한 별에 집중하는 경향이 있기 때문이기도 하지만, 통계적 분석에 따르면 질량이 작은 적색 왜성(분광형 M)은 시선 속도법으로 감지할 수 있을 만큼 질량이 큰 행성을 가질 가능성이 낮다.[19][20] 그럼에도 불구하고, 케플러 우주 망원경으로 적색 왜성 주위에서 트랜싯 방법에 의해 수십 개의 행성이 발견되었다.

16세기 로마의 수도사였던 조르다노 브루노는 지구는 태양의 주위를 돌며, 다른 항성들도 태양과 마찬가지로 빛나며, 그곳에도 지구와 같은 행성이 존재한다는 견해를 제시했다. 그러나, 이 견해는 기독교의 가르침에 반한다는 이유로 비판받았고, 브루노는 화형에 처해졌다. 18세기 뉴턴의 저서 "프린키피아"에는 행성계의 모델은 어떤 항성에서도 비슷한 모델이 될 것이라는 이론 등이 기록되어 있다.[71]

thumb으로 촬영된, HR 8799를 공전하고 있는 3개의 행성 이미지. 항성은 코로나그래프로 가려져 있다.]]

일부 연구에서는 별 하나당 평균 1개 이상의 행성이 존재한다고 시사한다.[78] 이는 태양계처럼 대부분의 별이 행성을 가지고 있음을 의미한다. 그러나 모든 행성이 발견된 것은 아니므로 실제 별이 행성을 가질 비율은 불분명하다. 공전 주기가 짧은 외계 행성의 발견 방법으로 도플러 분광법과 트랜싯법이 있으며, 현재 발견된 외계 행성의 대부분은 이 두 가지 방법으로 발견되었다. 따라서 가장 많이 확인된 것은 핫 주피터이다. 2005년 조사에 따르면, 태양과 같은 별은 1.2% 비율로 핫 주피터를 가지고 있으며, 그보다 작은 K형 주계열성이나 적색 왜성의 대부분은 핫 주피터와 같은 단주기로 공전하는 행성을 가지고 있지 않다고 한다.[79] 이 1.2%라는 수치는 케플러 우주 망원경에 의해 발견된 핫 주피터를 가진 별의 비율의 2배 이상이며, 케플러의 관측 시야는 별의 금속량이 다른 은하수의 다른 영역을 커버하고 있을 가능성이 있다.[80] 게다가 태양과 비슷한 별의 3%~4.5%는 공전 주기가 100일 이내인 대형 행성을 가지고 있는 것으로 추정된다. 여기서 말하는 "대형 행성"은 질량이 지구 질량의 30배 이상인 것을 가리킨다.[81]

지구와 같은 작은 행성은 대형 행성보다 일반적이라는 것이 알려져 있다.[82] 또한, 주성에서 먼 궤도를 공전하는 행성은 주성에 가까운 궤도를 공전하는 행성보다 많이 존재한다고 생각된다. 이를 바탕으로 태양과 같은 별의 최소 20%는 대형 행성을 1개 가지고 있으며, 최소 40%는 질량이 작은 행성을 가지고 있을 가능성이 있다.[81][83][84] 2012년 연구에서 2002년부터 2007년까지 수집된 관측 데이터에 따르면, 행성이 별보다 존재 비율이 훨씬 높고, 은하계의 별 1개당 별에서 0.5~10au 떨어진 위치에 평균 1.6개의 행성을 가지고 있는 것으로 추정되었다.[78]

행성과 별의 비율이 어떻든, 외계 행성의 수는 매우 많아야 한다. 은하계에는 최소 2천억 개의 별이 있는데, 이를 고려하면 은하계에는 수백억 개에서 수천억 개의 행성이 존재하게 된다.

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행성계의 주성으로 가장 많은 것은 태양과 비슷한 별인 경우이다. 즉, 스펙트럼 분류에서 F, G, K가 해당한다. 그 이유 중 하나는 탐사 대상으로 자주 선택되는 경향이 있기 때문이다. 또한 통계적 분석에 따르면, 더 작은 적색 왜성 등에서는 도플러 분광법으로 검출될 정도의 큰 행성이 존재할 가능성은 낮다고 한다.[81][85] 그럼에도 불구하고 케플러 우주 망원경에 의한 트랜싯법으로 발견된 수십 개의 행성은 적색 왜성의 별에서 발견되었다.

B, A는 전형적으로 자전 속도가 빠르기 때문에 스펙트럼 흡수선이 넓어 도플러 분광법에 의한 행성 검출이 매우 어렵다. 그러나 이러한 별은 최종적으로 저온의 적색 거성이 되며, 이때의 도플러 분광법으로의 검출은 가능하다. 실제로 적색 거성 주위를 공전하는 행성이 몇 개 발견되었다.

스피처 우주 망원경에 의한 관측에서는 태양보다 훨씬 큰 O형 주계열성은 행성 형성을 방해하는 광증발을 일으키는 것으로 나타났다.[86] O형 주계열성이 초신성 폭발을 일으키면, 행성이 존재했더라도 펄서의 경우와 마찬가지로 증발·분쇄되거나 자유 부유 행성이 된다고 한다.[87]

4. 4. 행성계의 분류

행성계는 행성들의 질량 분포, 궤도 배치 등에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있다.[16][17]

  • '''유사형''': 한 행성계 내 모든 행성들의 질량이 서로 유사하다. 우리 은하에서 가장 흔하게 관측되는 유형이다. 트라피스트-1이 그 예시이며, 이 행성계의 행성들은 '콩깍지 안의 콩'과 같다고 비유되기도 한다.[18]
  • '''혼합형''': 행성들의 질량이 크게 증가하거나 감소하는 등 변화가 크다. 글리제 876과 케플러-89 등이 혼합형 행성계에 속한다.
  • '''역순형''': 질량이 큰 행성들이 별에 가깝게 위치하고, 작은 행성들이 멀리 떨어져 있다. 현재까지 알려진 역순형 행성계는 없다.
  • '''정렬형''': 행성들의 질량이 중심별로부터 멀어질수록 증가하는 경향을 보인다. 태양계는 정렬형 행성계의 예시로, 작은 암석 행성들이 안쪽에, 거대 행성들이 바깥쪽에 위치한다.


케플러 우주 망원경이 발견한 서로 다른 행성계 사이의 궤도 간격은 매우 다양하다.


다중 행성계는 "콩깍지" 형태를 띠는 경향이 있는데, 이는 크기, 질량, 간격, 배치 면에서 유사성을 보인다.[18] 행성들은 크기와 질량이 비슷하거나 순서대로 정렬되는 경향이 있으며, 간격도 거의 동일하게 유지되는 경우가 많다. 작은 행성들은 서로 가깝게, 큰 행성들은 넓은 간격을 두고 배치되는 경향을 보인다.

16 백조자리와 같이 궤도 이심률이 큰 행성계도 발견되는데,[36] 이는 거의 원형 궤도를 가진 태양계와는 다른 모습이다.

두 행성의 궤도면 사이 각도를 나타내는 상호 경사는 행성계의 평평한 정도를 보여주는 지표이다. 안드로메다자리 웁실론 행성 c와 d는 약 30도의 상호 경사를 가지고 있다.[38][39]

행성계는 궤도 역학에 따라 공명, 비공명 상호작용, 계층적 또는 이러한 것들의 조합으로 분류될 수 있다. 케플러-223 시스템에는 8:6:4:3 궤도 공명을 보이는 4개의 행성이 있다.[40] 태양계는 약하게 상호 작용하는 것으로 묘사될 수 있다.

5. 행성계 목록

멀리 떨어져 있는 행성계를 상상한 것.


우리 태양계를 게자리 55 행성계와 비교한 것.


현재까지 발견된 수많은 행성계 중 대표적인 예시는 다음과 같다.

  • 태양계 – 태양과 8개의 행성으로 이루어진 행성계로, 최초로 발견되었다.
  • PSR B1257+12 – 최초로 발견된 외계 행성계이자 펄사 행성계이다. 외계 행성이 두 개 이상 있는 것을 발견한 최초 사례이다.
  • 안드로메다자리 웁실론 – 주계열성 주위에 형성되어 있는 행성계 중 행성 숫자가 두 개 이상인 첫 번째 사례로, 1999년 4월 공식적으로 인정받았다.
  • PSR B1620-26 – 모항성이 두 개 이상인 최초 사례이다.
  • 게자리 55 – 지금까지 발견된 외계 행성계 중 행성의 숫자가 가장 많다. 2007년 말 기준 5개의 행성이 공식적으로 검증되었으며, 멀리 떨어져 있는 반성도 거느리고 있다.[98]
  • 글리제 876 – 적색 왜성이 행성들을 거느리고 있음을 입증한 최초 사례이자, 궤도공명 현상이 발견된 최초의 외계 행성계이다.
  • HD 69830 – 해왕성급 질량의 행성 세 개 및 소행성대가 있는 항성으로, 이들은 모두 1AU 이내 범위에 몰려 있다.[99][100]
  • 2M1207 – 외계 행성의 화상이 최초로 찍힌 항성이자 행성 한 개를 거느리고 있는 갈색 왜성이 발견된 최초 사례이다.[101]
  • 글리제 581 - 최초로 생물권 범위 내에 외계 행성(글리제 581 c)이 있음이 입증된 항성이다.[102]
  • 제단자리 뮤 - 뮤에 가장 가까이 붙어 돌고 있는 행성은 최초로 발견된 해왕성급 질량의 외계 행성이었다.
  • HD 188753 - 삼중성으로서 외계 행성을 거느리는 것으로 확인된 최초의 사례이다.
  • HD 37124
  • HD 12661
  • HD 73526
  • 큰곰자리 47
  • 에리다누스자리 엡실론
  • 허큘리스자리 14
  • 고래자리 UX A
  • 포말하우트

5. 1. 태양계



태양계는 태양과 8개의 행성으로 이루어진 행성계이다. 인류가 최초로 발견한 행성계이기도 하다.

5. 2. 외계 행성계


  • 태양계 – 태양과 8개의 행성으로 이루어진 행성계로, 최초로 발견되었다.
  • PSR B1257+12 – 최초로 발견된 외계 행성계이자 펄사 행성계이다. 외계 행성이 두 개 이상 있는 것을 발견한 최초 사례이다.
  • 안드로메다자리 웁실론 – 주계열성 주위에 형성되어 있는 행성계 중 행성 숫자가 두 개 이상인 첫 번째 사례로, 1999년 4월 공식적으로 인정받았다.
  • PSR B1620-26 – 모항성이 두 개 이상인 최초 사례이다.
  • 게자리 55 – 지금까지 발견된 외계 행성계 중 행성의 숫자가 가장 많다. 2007년 말 기준 5개의 행성이 공식적으로 검증되었으며, 멀리 떨어져 있는 반성도 거느리고 있다.[98]
  • 글리제 876 – 적색 왜성이 행성들을 거느리고 있음을 입증한 최초 사례이자, 궤도공명 현상이 발견된 최초의 외계 행성계이다.
  • HD 69830 – 해왕성급 질량의 행성 세 개 및 소행성대가 있는 항성으로, 이들은 모두 1AU 이내 범위에 몰려 있다.[99][100]
  • 2M1207 – 외계 행성의 화상이 최초로 찍힌 항성이자 행성 한 개를 거느리고 있는 갈색 왜성이 발견된 최초 사례이다.[101]
  • 글리제 581 - 최초로 생물권 범위 내에 외계 행성(글리제 581 c)이 있음이 입증된 항성이다.[102]
  • 제단자리 뮤 - 뮤에 가장 가까이 붙어 돌고 있는 행성은 최초로 발견된 해왕성급 질량의 외계 행성이었다.
  • HD 188753 - 삼중성으로서 외계 행성을 거느리는 것으로 확인된 최초의 사례이다.
  • HD 37124
  • HD 12661
  • HD 73526
  • 큰곰자리 47
  • 에리다누스자리 엡실론
  • 허큘리스자리 14
  • 고래자리 UX A
  • 포말하우트
  • PSR 1257+12계
  • PSR B1620-26계
  • 안드로메다자리 웁실론별계
  • 게자리 55번 별계
  • 글리제 581계
  • 글리제 876계
  • 케플러 11계
  • 케플러 20계
  • 케플러 33계
  • 케플러 90계
  • HD 10180계
  • HD 40307계

6. 탐사

외계 행성 탐사는 현재 천문학 분야에서 가장 활발하게 연구되는 분야 중 하나이다. 지구형 행성은 직경이 작고 어둡기 때문에, 현재의 천체 망원경과 관측 장치로는 직접 촬영이나 트랜싯법으로 발견하기 어렵다. 또한 질량이 항성에 비해 매우 작아 도플러 효과에 의한 검출도 아직 성과를 거두지 못하고 있다. 다만, 슈퍼 지구라고 불리는 거대 지구형 행성들은 발견되고 있다. COROT나 케플러 등 외계 지구형 행성의 대기권 외 관측 계획이 진행 중이므로, 가까운 장래에 발견 가능성이 높아질 것으로 예상된다.

태양은 주계열성이며, 은하계 내에는 수많은 주계열성이 존재한다. 따라서, 그 주위를 행성이 공전하고 있는 항성이 다수 있을 것으로 예상된다. 행성과 항성의 크기가 비슷한 행성계도 발견되고 있다.

6. 1. 탐사 방법

1992년 PSR B1257+12라는 펄서를 공전하는 행성이 처음으로 발견되었다. 주계열성을 공전하는 행성은 1995년 벨레로폰이 처음이며, 페가수스자리 51을 4일 만에 공전하는 목성 크기였다. 이 행성은 도플러 분광법으로 발견되었으며, 이후 다양한 방법으로 수많은 외계 행성이 발견되었다.[78]

도플러 분광법과 트랜싯법은 공전 주기가 짧은 외계 행성을 발견하는 주된 방법이다. 2012년 Gravitational microlensing영어 관측 데이터에 따르면, 은하계 별 1개당 0.5~10au 떨어진 곳에 평균 1.6개의 행성이 있는 것으로 추정되었다.[78]

지구형 행성은 직경이 작고 어두워 현재의 천체 망원경과 관측 장비로는 직접 촬영이나 트랜싯법으로 발견하기 어렵다. 질량도 항성에 비해 매우 작아 도플러 효과로도 검출이 어렵다. 다만, 슈퍼 지구라고 불리는 거대 지구형 행성들은 발견되고 있다.

6. 2. 한국의 외계 행성 탐사

주어진 문단은 '한국의 외계 행성 탐사' 섹션에 포함될 내용으로 적합하지 않다. 제공된 요약문에 따르면, 이 섹션은 한국천문연구원의 외계 행성 탐색 시스템(KMTNet) 구축 및 국제 협력에 대한 내용을 담고 있어야 한다. 그러나 주어진 문단은 지구형 행성 발견의 어려움과 일반적인 주계열성 및 행성계에 대한 내용을 다루고 있으며, 한국의 구체적인 활동에 대한 언급은 없다. 따라서 이 문단은 삭제되어야 한다.

7. 생명체 거주 가능 영역

별 주위의 생명체 거주 가능 구역은 행성에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도 범위를 허용하는 영역이다. 즉, 물이 증발할 정도로 별에 너무 가깝지도 않고, 물이 얼어붙을 정도로 별에서 너무 멀지도 않은 영역이다. 별에서 생성되는 열은 별의 크기와 나이에 따라 다르며, 이는 생명체 거주 가능 구역도 그에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 또한, 행성의 대기 조건은 행성이 열을 유지하는 능력에 영향을 미치므로 생명체 거주 가능 구역의 위치는 각 행성의 유형에 따라 다릅니다.

별의 종류에 따른 생명체 거주 가능 구역의 위치


생명체 거주 가능 구역은 일반적으로 표면 온도를 기준으로 정의되어 왔지만, 지구 생물량의 절반 이상이 지하 미생물에서 비롯되었으며, 지하 깊이가 깊어질수록 온도가 상승하므로 표면이 얼어붙더라도 지하에서는 생명체가 살기에 적합할 수 있다. 이러한 점을 고려하면, 생명체 거주 가능 구역은 별에서 훨씬 더 멀리까지 확장된다.

2013년의 연구에 따르면, 태양과 유사한 별의 약 22±8%가 생명체 거주 가능 구역 내에 지구 크기의 행성을 가지고 있는 것으로 추정된다.

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